旋挖钻机回转平台的结构分析及优化设计

刘威 王顺利

摘 要：在旋挖钻机中，转台是一个非常重要的构件，在整机重量中，转台的重量占据着很大的比例，为了使钻机的整体性能充分发挥出来，需要不断完善并优化转台的结构。借助相关的力学原理，采取具有针对性的方式，在节省材料的同时，使转台重量明显降低，降低共振发生的可能性，增强在实际工作中的效果。

关键词：旋挖钻机；回转平台；箱型结构；工字梁结构

旋挖钻机回转平台为整体焊接式结构，由回转平台主体、左侧梁和右侧梁组成，其中左、右外侧纵梁采用D形管型材制造，回转平台主体结构形式有两种：“工字梁”型和箱型。本文以某型号旋挖钻机转台主体的箱型结构和工字梁结构为研究对象，通过有限元分析，对工字梁结构进行优化，使其在满足力学性能的前提下，减轻转台重量、节约原材料。

1 旋挖钻机简介

1.1 旋挖钻机的概念

近年来，受益于国家经济持续发展的推动、固定资产投资的拉动、国家交通运输业和建筑业发展的带动，桩工机械行业迎来了一个蓬勃发展的时期。但是，随着低碳经济的发展、节能减排政策的实施、环保理念的加强，基础施工受到的限制也越来越多。由于传统的桩工设备（如冲击钻、正反转循环钻等）施工污染严重、钻孔效率低下，已不能够与新的施工技术要求相适应，即将淡出市场。旋挖钻机则以优于其他同类产品的性能，适应上述综合发展的需求，在灌注桩施工机械中成为主流产品。

1.2 旋挖钻机的特点

旋挖钻机是桩工机械技术领域的高新技术产品，是市政建设、铁路、公路、桥梁、飞机场、大型港口、深水码头等理想的基础施工设备。它凭借以下优点在桩工机械技术领域中赢得了广阔的市场：

1）一机多用，适用性强。配备不同的钻具旋挖钻机可适用于岩层、土层、卵砾石等不同地质，实现“软硬通吃”，适应我国幅员辽阔、方土异同的基本国情。旋挖钻机不仅能够进行旋挖钻进，而且还可通过更换不同的工作装置，实现长螺旋钻进、套管钻进以及挖掘地下连续墙等。

2）性能先进，自动化程度高。旋挖钻机自动化、智能化、机电液一体化程度高。施工作业中可实现自动起立钻桅，自行变幅，自动进行钻桅调垂、监测及报警，避免人为操作引起的误差。可根据地层情况自行调整回转扭矩，还可通过动力头自行下埋井口护筒，可实现自动伸缩的钻杆在钻进过程中不用拆装，降低人力劳动强度。

3）钻进速度快，成孔效率高。传统钻机仅仅凭借钻杆钻具的自重对土层挤磨成孔，而旋挖钻机钻孔不仅可以借助动力头的进给力，还可以借助加压油缸加压力，因此钻进能力强，钻头取土速度快，钻进速度是传统正循环钻钻进速度的8～10倍，是传统反循环钻钻进速度的4～6倍。针对不同的地质情况，旋挖钻机可配置不同的钻头工作，提高了成孔速度和钻进效率。

2 旋挖钻工作原理

旋挖钻机主要功能为上车钻孔作业和下车移动行驶，两部分通过换向阀互锁。对于下车移动行驶作业，液压主泵在发动机的驱动下供油，压力油经过中心回转体到达液压行走马达，行走马达通过减速机带动驱动轮旋转，使底盘完成行走、转向及制动等动作。通过调节底盘的伸缩油缸，随时改变履带的中心距，实现作业的稳定性和运输的便捷性。

对于上车钻孔作业，通过调整变幅油缸调节桅杆与机体的距离，根据钻桅角度监测情况，通过调整立桅油缸调节桅杆的垂直度，使钻头对准钻孔位置，达到钻孔精度要求。主卷扬钢丝绳通过提引器与钻杆的上端相连，并通过动力头的中心孔，由主卷揚控制钻杆升降。钻杆的下端采用方形接头通过销轴与钻头相连，实现动力头扭矩从钻杆传递到钻头。发动机通过液压系统驱动动力头马达旋转，进而将马达输出扭矩通过减速机传递给动力头齿轮箱，齿轮箱带动机械结构驱动钻杆和钻头旋转，并同时开启主卷“自由下放”开关，在钻头和钻杆的自重作用下实现钻进，如果需要，还可配合加压油缸进行加压钻进。钻头回转旋挖切土，待钻头内装满渣土时，动力头马达停止运转，主卷扬回转，加压油缸同时提升，当钻头提升至地面时，转台回转至地面的卸土位置卸土。然后通过显示屏使上车精确回转到孔口位置，准备进行下一个作业循环。

3 旋挖钻机回转平台主体结构及改进

某型号旋挖钻机主要由底盘、回转平台、变幅机构、发动机系统、主副卷扬、钻桅、动力头、钻杆、钻具、驾驶室等部件组成。钻机转台主体结构是由左右底板、左右纵梁、左右立板、左右上板、左右后侧板、左右纵梁顶板和若干筋板等焊接而成的箱型结构结构所用板材较多，焊缝也较多。焊缝的增加不仅会加大工艺的复杂性，而且会影响结构的力学性能。因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝、对接焊缝的焊趾处），而且在这些部位也易产生缺陷，存在焊接残余应力；其次，缺陷可能造成提高整体应力水平、局部缺口效应、类裂纹缺陷等方面的影响；最后，焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能变化，对强度尤其是动强度的影响不可忽略。

4 旋挖钻机的工况分析与选择

旋挖钻机的工况复杂，主要包括钻具下放工况、加压钻掘工况、钻机提升工况、回转卸土工况等。其中，钻机提升工况是旋挖钻机的主要工况，也是危险工况。当变幅动臂处于水平位置时，钻具处于最大回转半径位置，也称最大变幅距离提钻工况，该工况由于整机重心前移使钻机提升稳定性最差。所以本文只考虑最大变幅距离提钻工况，并在该工况下对回转平台主体进行有限元分析。

5 有限元模型的建立

转台的几何模型根据零件的实际结构和尺寸建立，并忽略不影响主体结构强度的细节部分，去掉倒角及小孔等；假设焊缝无缺陷，各处焊接强度均能达到母材强度。转台所用材料为Q345钢，弹性模量为206MPa；密度为7850kg/m3；泊松比为0.3；屈服强度σs=345MPa，安全系数n=1.25。采用自由网格划分方法，并在应力集中部位逐步细化网格，建立转台网格模型。

6 静力学仿真结果分析

回转平台和钻机底架通过回转支承连接，在分析过程中将回转支承设置为固定约束；左右拉杆、左右动臂油缸和动臂通过销轴作用在回转台上的力是施加在销轴表面的轴承载荷，由于钻机在工作过程中要受到各种冲击的影响，如在起始提钻时，起升质量产生的附加加速度会产生惯性力，对结构产生动应力，在埋钻或卡钻时也会产生动应力，故需对计算载荷乘以动载荷系数，参照《起重机设计规范》并结合实际经验，此处取为2；由于卷筒支座固定在转台的主卷扬支架上，所以将钢丝绳拉力作用在主卷扬支架的上表面；转台自身重力由ANSYS Workbench自动计算得出。

经计算，每个拉杆对转台的压力为200kN，其方向与垂直方向成30.3°；每个动臂油缸对转台的压力为490kN，其方向与垂直方向成17.2°；动臂对转台的作用力为X=-400kN，Z=380kN（以钻机回转中心为原点，钻机前方为X轴正方向，钻机右方为Y轴正方向，垂直向上的方向为Z轴正方向）；配重的重量为86kN；主卷扬自重为28kN；主卷扬钢丝绳拉力取液压系统所能提供的最大提升力，为230kN，与竖直方向成26.3°。用有限元软件ANSYS Workbench对转台的两种有限元模型进行强度和刚度分析。

7 结语

在桩工机械技术领域，旋挖钻机具有非常关键的应用，具有较强的环保性、智能性和有效性。在本文的研究中，主要以某种型号钻机为例，将转台结构转变为工字梁结构，简化了施工环节，使焊接的数量不断减少，在节省原材料的同时，提高了钻机的性能。在减轻钻机结构自重的过程中，针对转台的实际情况，选择合适的方式进行优化，在完善原有结构的基础上，使自身的重量得到明显降低，最后采取有效的方式进行测试和确认。

参考文献

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[2]李云峰.旋挖钻机两种典型动臂的力学性能分析[J].黑龙江科技信息，2014（05）.

[3]高英，董仁俭.圆梦于此2个旋挖钻机用户的梦想故事[J].工程机械与维修，2013（08）.